5大招！电路级ESD防护重点技巧

今天，跟大家分享一下静电防护的一部分《电路级静电防护》。

静电放电波形和能量频谱

静电放电（ESD）理论研究的已经相当成熟，为了模拟分析静电事件，前人设计了很多静电放电模型。

常见的静电模型有：人体模型（HBM），带电器件模型，场感应模型，场增强模型，机器模型和电容耦合模型等。芯片级一般用HBM做测试，而电子产品则用IEC 61000-4-2的放电模型做测试。为对 ESD 的测试进行统一规范，在工业标准方面，欧共体的 IEC 61000-4-2 已建立起严格的瞬变冲击抑制标准；电子产品必须符合这一标准之后方能销往欧共体的各个成员国。因此，大多数生产厂家都把 IEC 61000-4-2看作是 ESD 测试的事实标准。我国的国家标准（GB/T 17626.2-1998）等同于IEC 61000-4-2。大多是实验室用的静电发生器就是按 IEC 61000-4-2的标准，分为接触放电和空气放电。静电发生器的模型如图1。放电头按接触放电和空气放电分尖头和圆头两种。

IEC 61000-4-2的 静电放电的波形如图2，可以看到静电放电主要电流是一个上升沿在1nS左右的一个上升沿，要消除这个上升沿要求ESD保护器件响应时间要小于这个时间。静电放电的能量主要集中在几十MHz到500MHz，很多时候我们能从频谱上考虑，如滤波器滤除相应频带的能量来实现静电防护。其放电频谱如下。（由于这个图是个人手画的，只能定性的看，不能定量）

IEC 61000-4-2规定了几个试验等级，目前手机CTA测试执行的是3级，即接触放电6KV，空气放电8KV。很多手机厂家内部执行更高的静电防护等级。

当集成电路（ IC ）经受静电放电（ ESD）时，放电回路的电阻通常都很小，无法限制放电电流。例如将带静电的电缆插到电路接口上时，放电回路的电阻几乎为零，造成高达数十安培的瞬间放电尖峰电流，流入相应的 IC 管脚。瞬间大电流会严重损伤 IC ，局部发热的热量甚至会融化硅片管芯。ESD 对 IC的损伤还包括内部金属连接被烧断，钝化层受到破坏，晶体管单元被烧坏。

ESD 还会引起 IC 的死锁（ LATCHUP）。这种效应和 CMOS 器件内部的类似可控硅的结构单元被激活有关。高电压可激活这些结构，形成大电流信道，一般是从 VCC 到地。串行接口器件的死锁电流可高达 1A 。死锁电流会一直保持，直到器件被断电。不过到那时，IC 通常早已因过热而烧毁了。

电路级ESD防护方法

01

并联放电器件

常用的放电器件有TVS，齐纳二极管，压敏电阻，气体放电管等。如图

1.1、齐纳二极管（ Zener Diodes ，也称稳压二极管 ） 。利用齐纳二极管的反向击穿特性可以保护 ESD敏感器件。但是齐纳二极管通常有几十 pF 的电容，这对于高速信号（例如 500MHz）而言，会引起信号畸变。齐纳二极管对电源上的浪涌也有很好的吸收作用。

1.2、瞬变电压消除器 TVS(Transient Voltage Suppressor) 。TVS 是一种固态二极管，专门用于防止 ESD 瞬态电压破坏敏感的半导体器件。与传统的齐纳二极管相比， TVS 二极管 P/N 结面积更大，这一结构上的改进使 TVS 具有更强的高压承受能力，同时也降低了电压截止率，因而对于保护手持设备低工作电压回路的安全具有更好效果。

TVS二极管的瞬态功率和瞬态电流性能与结的面积成正比。该二极管的结具有较大的截面积，可以处理闪电和 ESD所引起的高瞬态电流。TVS也会有结电容，通常0.3个pF到几十个pF。TVS有单极性的和双极性的，使用时要注意。手机上用的TVS大约0.01$，低容值的约2-3分$。

1.3、多层金属氧化物结构器件 (MLV)，大陆一般称为压敏电阻。MLV也可以进行有效的瞬时高压冲击抑制，此类器件具有非线性电压 - 电流 ( 阻抗表现 ) 关系，截止电压可达最初中止电压的 2 ～ 3倍。这种特性适合用于对电压不太敏感的线路和器件的静电或浪涌保护，如电源回路，按键输入端等。手机用压敏电阻约0.0015$,大约是TVS价格的1/6，但是防护效果没有TVS好，且压敏电阻有寿命老化。

02

串联阻抗

一般可以通过串联电阻或者磁珠来限制ESD放电电流，达到防静电的目的。如图。如手机的高输入阻抗的端口可以串1K欧电阻来防护，如ADC，输入的GPIO，按键等。不要担心0402的电阻会被打坏，实践证明是打不坏的。这里不详细分析。用电阻做ESD防护几乎不增加成本。如果用磁珠，磁珠的价格大 约0.002$,和压敏电阻差不多。

03

增加滤波网络

前面提到了静电的能量频谱，如果用滤波器滤掉主要的能量也能达到静电防护的目的。

对于低频信号，如GPIO输入，ADC，音频输入可以用1k+1000PF的电容来做静电防护，成本可以忽略，性能不比压敏电阻差，如果用1K+50PF的压敏电阻（下面讲的复合防护措施），效果更好，经验证明这样防护效果有时超过TVS。

对于射频天线的微波信号，如果用TVS管，压敏等容性器件来做静电防护，射频信号会被衰减，因此要求TVS的电容很低，这样增加ESD措施的成本。对于微波信号可以对地并联一个几十nH的电感来为静电提供一个放电通道，对微波信号几乎没有影响，对于900MHZ和1800MHz的手机经常用22nH的电感。这样能把静电主要能量频谱上的能量吸收掉很多。

04

复合防护

有一种器件叫EMI filter，它有很好的ESD防护效果，如图。EMI filter也有基于TVS管的和基于压敏电阻的，前者效果好，但很贵，后者廉价，一般4路基于压敏电阻的EMI价格在0.02$。

实际应用中可以用下面的一个电阻+一个压敏电阻的方式。他既有低通滤波器的功能，又有压敏电阻的功能，还有电阻串联限流的功能。是性价比最好的防护方式，对于高阻信号可以采用1K电阻+50PF压敏；对于耳机等音频输出信号可以采用100欧电阻+压敏电阻；对于TP信号串联电阻不能太大否则影响TP的线性，可以采用10欧电阻。虽然电阻小了，低通滤波器效果已经没有了，但限流作用还是很重要的。

05

增加吸收回路

可以在敏感信号附件增加地的漏铜，来吸收静电。道理和避雷针原理一样。

在信号线上放置尖端放电点（火花隙）在山寨手机设计中也经常应用。

翻盖机受话器上TVS管或压敏电阻应该放在哪？

很多人理解静电防护器件在layout时要靠近端口摆放，翻盖机或者滑盖机受话器（receiver，rec）上的TVS或压敏电阻要放在上板靠近rec的地方。其实不然，请看下面分析。

这是一个翻盖机或者滑盖机，的等效电路，TVS在上板，主IC在主板，中间用比较长的FPC连接。rec是个线圈，不怕静电，怕静电的是IC。

中间的电感分别是FPC上地网络和信号线的等效电感。当静电打在rec上时，由于TVS的钳位作用和等效电容存在，静电放电瞬时REC信号线上的电压Ub和小板的电压Ug可以看成相等的，静电荷要从FPC的地网络转移一部分到主板的地上，这时会在主板的地和小板的地之间产生一个压差Ug-0=Ug。对于信号线如果是高阻状态，即使FPC存在更大的等效电感，但是因为高阻抗不会产生电流，Ua和Ub可以看成是一致的，这样Ua=Ub=Ug，也就是芯片端和地之间会产生一个电压差，这个压差几乎等于放电瞬间小板地和主板地的电压差，这个电压差如果很大会使IC损坏。电压差大小取决于ESD放电的等级和FPC地上的等效阻抗和电感。如果是非高阻信号会有一点电流，电流大了芯片也就坏了。这样也可以近似看成Ua=Ub=Ug。因此TVS或压敏电阻放在上板如果静电达到rec上会有问题。

假如静电打在小板的地上，由于TVS或压敏的钳位和等效电容，同样Ub=Ug。由于FPC的地上等效电感存在，Ug和主板地会存在压差。信号线上没有电流Ua=Ub=Ug。Ua加在芯片端口上会打坏芯片。

假如静电打在主板地上，主板地上电荷部分会往小板地转移，产生电流，电流在FPC地等效电感上产生电压，同样会在主板地和小板地之间的电压会直接加在芯片两端烧坏芯片。

如果TVS或压敏电阻加在主板上，如图由于TVS或压敏的钳位作用，Ua和地之间电压不会太高起到保护芯片的作用。静电放在rec上，电流传导到主板上被TVS吸收掉，电荷打在小板地和主板地上都和信号线没有关系。

静电防护器件应该放在哪？

rec情况如此，其他信号线电源也如此。

上面分析的是用FPC连接两个板的情况，其实即使一块板子地上也会有阻抗的存在，这么看静电防护器件靠近芯片越近越好，即保护谁就靠近谁。特别是没有完整地层的板子。

但有个问题如果靠近芯片在端口到TVS这段走线会存在大的放电电流和电压，这样会干扰到与其相邻的为保护的信号线。鉴于手机主板有完整地层，地上等效阻抗比较小，建议把静电防护器件放在主板的接口处，但不能放在小板，按键板等上面。

| 本文转载自公众号《电磁兼容EMC》

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